HelloOs总结之辅助性功能实现

六、辅助性功能实现

   这一章主要讲些HelloOs中的主要辅助性功能的实现。相对来说，它们不算是HelloOs的主线部分，但是其大都是作为辅助部分穿插在各个章节，下面对这些部分做一简要介绍。

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6.1 通用链表

   链表作为线性表的一种，在操作系统内核中有着重要的作用。关于链表最基本的理论内容，数据结构书中都有基本的介绍。这里，仅以HelloOs中实现的链表简单介绍其作用。
   我们一般在刷题构造链表的时候，串起来都是链表的整个node结点,但是在实际的应用中，尤其是linux内核中，为了抽象出通用的链表操作，其一般串起来的都是node结点（当成一般的结构体就可以）中的一个成员变量，然后通过这个成员变量来找到这个node结点。如下图6.1所示。

• 图6.1 链表串联示意图

   关于如何从结构体成员寻找整个结构体，我以前在一篇博客中有介绍，可以参照 https://blog.csdn.net/plm199513100/article/details/102490680
这里就不赘述了。

   有了以上的了解之后，内核建立的通用的链表就只是普通的链表。HelloOs中通用的链表结构体（HelloOs使用的是双向链表）如下图6.2所示。然后利用这个通用的链表结构体可以形成链表的一些基本操作，如插入、删除等等。

• 图6.2 通用的链表结构体示意图

   建立了通用的链表数据结构之后，如果想串起像图6.1所示的链表串，只需要在在目标结构体结点中添加一个list_head的成员变量，用于串串的操作就可以了。在HelloOs中用这个通用结构体串起了两种资源，一种是内存结构体，一种是pcb。如下图6.3和6.4所示。

• 图6.3 用list串起的内存page示意图

• 图6.4 用xx_tag串起的pcb示意图

   从某种程度上说，抽象出这种通用的链表是一种面向对象的思维，即通用的链表是父类，想要串起的资源目标结构体是“继承”的子类，只不过这种“继承” 并不是使用面向对象语言中标准的继承手段，而是使用的组合，即子类包含父类的一个对象。 以前写过一篇《Linux内核之C语言实现面向对象机制》博客，感兴趣的可以了解一下。下面是链接：
https://blog.csdn.net/plm199513100/article/details/102468196

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6.2 string类操作函数

   字符串类函数库应该是每一个稍微大一点的系统都应该有的部分，其提供了基本的字符串类操作。HelloOs中也有不少的对字符串的操作，因此也提供了一部分的字符串的操作函数，如memset、memcmp、strlen等等，放在string.c文件中。这些函数基本原理都很简单，在此就不说了。这里提一下string函数库主要是为了完整性。

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6.3 PrintF打印函数

   printf函数应该算是每一个学编程的人第一个用到的库函数了，但是你知道其是怎么实现的吗？说实话，就一个printf函数的实现，还并不很简单呢！这涉及到进制的相互转换，字符串解析、变长参数等相关知识点。 以前写过一个关于《printf的底层原理浅析》（https://blog.csdn.net/plm199513100/article/details/104905990），
   和这里的HelloOs实现的大同小异（HelloOs中稍微有点不一样，因为这里是调用了系统调用write） ,在此就不赘述了。

   对了，这里稍微提一点，HelloOs中内核的输出使用的是console_put_xxx函数，用户进程使用的是printF（这里使用函数名printF而不是printf是为了防止在编译的时候和C语言的内置库函数冲突）。

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6.4 信号量、锁的实现

   为了各个线程之间的对资源的互斥访问，这里简单实现了信号量和锁机制。关于信号量的相关理论内容请参照操作系统相关资料，这里就不赘述了。
   下面简单说说HelloOs是如何实现信号量和锁机制的。
   其实实现过程说白了也很简单，就是将未获取到信号量资源的线程阻塞起来，然后当信号量代表的资源被释放时，把阻塞的线程唤醒。这里所说的阻塞和唤醒其实是进程调度里的两个知识点，当时没细说。其实也很简单，所谓阻塞线程，就是当信号量资源不可得时，将线程移除就绪队列，放到对应阻塞的信号量上（这也叫做阻塞在信号量上）。而唤醒，就是当资源可获得时，将阻塞在信号量上的线程移除（一般是仅移出第一个线程），放回到就绪队列等待调度。过程如下图6.5、6.6、6.7所示。

• 图6.5 threadC请求信号量资源

• 图6.6 资源不可得时，threadC阻塞

• 图6.7 资源可获得时，threadA移入就绪队列

   关于互斥锁的实现，其实本质上就是利用了信号量，只不过信号量的资源是只有1（也就是value初始化是1或者是0）就是了。

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6.5 debug调试相关

   最后谈谈关于debug调试的那些事儿。

   debug是程序员在编码过程中不可缺少的部分（当然，这一部分应该是每个人都想剪除的），毕竟程序员也是人，人不可能像机器那般思维缜密，逻辑不出错，这是人的天性使然。既然debug不可避免，所以猿们就发明了各种各样的debug工具（检测语法的、语义的、逻辑的、内存空间的、多线程的、死锁的等等）来快速找到bug所在。有的甚至为了避免一些常出错的地方，从语言的角度就规避了这些点。比如说java天生就没有指针，从一定程度上避免了滥用指针出错的尴尬场景。
   在HelloOs中，除了skyeye本身提供的非常简单的类似gdb的debug工具外，最基本的调试手段就是打印输出了（这个打印输出应该也算是用的相当广泛的一种调试手段了吧），在可能出现问题的地方输出相关的参数看看，在一定程度上可以找到bug所在（当然，这需要对整个代码的运行过程有较为深刻的理解）,尤其是在多线程调试的时候。
   对于打印输出，实现上没什么好说的。同样，不赘述。

   我们来说说HelloOs中另一个类似的debug方式：断言（ASSERT）。
   所谓断言，简单来说，就是按照目前的逻辑，到当前位置，某个条件一定是正确的。如果发生了错误，说明程序的执行和逻辑上有出入，就打印输出当前的环境信息（错误行啦、不满足的条件啦等等）。从本质上说，ASSERT是打印输出的一个改良版。HelloOs实现的ASSERT如下图6.8所示。

• 图6.8 ASSERT实现代码示意图

   其中，panic_spin函数主要是在关中断的情况下输出出错的文件、出错的行、出错的函数、以及出错的条件。这些出错的信息是编译器提供在编译时（确切的说是预处理时）给我们提供的。